簡單橋梁結構設計模型減隔震應用的模擬分析

章凱宇 劉 彬

（1.長沙市長郡梅溪湖中學， 湖南 長沙 410100）

（2.湖南廣播電視大學， 湖南 長沙 410004）

我國是一個地震多發國家，傳統的橋梁抗震設計調節能力弱，為了達到抗震的目的，主要是采取增加橋梁自身的抗震性能的方法，但由于地震具有不可預測性等因素，常規的抗震設計往往無法確保橋梁結構的安全性。而減隔震設計能夠在簡單橋梁結構設計中降低外界對橋梁的破壞，對橋梁的質量具有很大的保障作用，是一種能有效減輕結構在地震中遭受損壞的設計方法。在簡單橋梁結構設計過程中，橋梁建設工作人員往往會用到減隔震技術。一方面，在減隔震技術中使用柔性支撐結構，可以盡可能地減少地震對結構所造成的損傷，可以提升結構的使用年限；另一方面，為了增加結構的阻尼性能，使用阻尼器式能量耗散元件，能夠確保結構的安全，減少外力的損害，延長結構的自振周期。另外，減隔震裝置可以使得結構在遇到強烈地震時能降低不良影響，通過較小結構的地震加速度反應，可以提升荷載力，有效支撐整體結構。并且為了有效抑制結構位移的變化，可加大結構的阻尼性能。

1 簡單橋梁結構設計模型分析

筆者選擇簡單橋梁為研究對象，以全橋為主進行分析與計算，地震發生時，相鄰橋孔之間會產生相互影響。其橋梁橋墩的最大高度為36.5m，使用標號為C55的混凝土，工程所處場地類型為II類，墩身結構使用C40混凝土，主梁跨中截面梁的高度為4.4m，支撐位置梁體的高度為8.8m，使用單箱室變截面箱梁，從左墩到右墩的序號順次為1#～6#，使用的是變截面、實心、活動墩，但4號為固定墩。通過對設計圖紙的分析，我們可以看出，一般情況下，受地震的影響，箱梁與橋墩處于彈性狀態中。因此，可以借助彈簧剛度對橋墩下端來模擬樁土的實際作用情況；為了對橋墩和主梁進行深入地研究，采取線性梁單元模擬進行研究；可以使用非線性彈簧對橋墩與箱梁之間的支座狀態進行模擬試驗。通過綜合權衡與比對分析可知，此次全橋計算模型中共使用230個線彈性梁單元和6個支座彈簧單元。

2 減隔震裝置的基本構造

2.1 速度鎖定器

速度鎖定器與阻尼器的工作機理具有相同之處，當速度鎖定器缸體與活塞桿的速度達到某一特定數值時，將活動主墩與梁體有效地連接起來，自動變成剛性連桿，速度鎖定器會執行鎖定功能；當溫度發生變化時，速度鎖定器可以有效降低系統內力，由鎖定狀態自動切換為自由活動狀態，避免引起梁體出現伸縮狀態；在設備實際運行中，速度鎖定器的狀態并沒有嚴格的界限，內力大小與速度也有密不可分的聯系，或處于鎖定狀態，或處于非鎖定狀態。因此可以使用基于Maxwell模型的阻尼器單元來模擬、分析速度鎖定器元件。但阻尼值的設置上，通常將指數取 2較為恰當，需要根據速度鎖定器明確速度值。另外，如果結構模型的自振周期較之前發生顯著的變化，在結構中應引入速度鎖定器對整體結構造成的影響。因此，在模型設置中，速度鎖定器的有效剛度也應作為主要的參照依據。

2.2 摩擦擺隔震裝置

其具有成本低、技術要求程度第、可操作性強、承載能力強、穩定性高等優點，消能原理主要是為了減少由于地震作用所引發的放大效應，借助滑動面的設計延長結構的振動周期，為了降低相關結構物的損傷程度，通過支座的滑動面與滑塊之間額摩擦來削弱地震能量。并且摩擦擺隔震裝置具有一定的圓弧滑動面，在地震結束后，能夠使支座恢復原樣，進行自動復位。

2.3 鋼阻尼支座

鋼阻尼支座構造簡單大方，類型主要有C型鋼、E型鋼等，屬于一種新型軟鋼支座，在生產中可以為生產廠家節省一定的成本。在設計時，應整合優化設計鋼阻尼元件與常規支座，才能使其豎向支撐與水平滯匯耗能的功效。本工程使用E型鋼阻尼制作，E型鋼阻尼具有塑性變形的特征，具有不可逆性，能夠有效降低其對結構的損傷程度，減弱地震能量。對于簡單橋梁結構來說，一般荷載狀態下，在制作過程中，通過對E型鋼的形狀進行改變，增強其塑性變形能力，可以使E型鋼阻尼變成一個“活動支座”，從而可以最大限度地減小局部變形形象，從而提升系統結構的使用年限。

3 簡單橋梁結構設計模型中減隔震的設計

3.1 速度鎖定器的設計

在溫度發生變化時，為了保障速度鎖定器處于可控位移幅度內，將速度鎖定器安裝在其他主墩上，這樣，當有地震發生時，鎖定器會與固定主墩一起抵抗地震所帶來的強烈震感，會啟動鎖定功能，將活動支座變成固定支座，以此來保護橋梁結構自身的穩定性，有效降低固定主墩自身的承載力。并且借助鎖定功能，速度鎖定器支座可以使得主墩所承受的地震力得到均勻分散，有效分擔規定主墩所應承受的水平地震力，從而延長主墩的使用年限，降低其自身的承受力，穩定橋梁整體結構。

3.2 摩擦擺隔震的設計

在固定墩上安裝固定型摩擦擺裝置，并將活動型摩擦擺隔震裝置安裝在其他墩上。當有地震發生時，為了降低固定墩所承受的抗彎曲能力、水平地震力，固定墩會借助摩擦擺模型，與其他墩保持相同步調的擺動，固定型摩擦裝置會轉變為活動型狀態。同時，為了減小橋面抬升而造成的影響，減小滑動面的結構設計能夠有效降低由于地震現象所造成的放大效應，延長結構的振動周期，提升橋梁結構的穩定性，摩擦擺隔震能夠有效降低由于地震現象所造成的放大效應。

3.3 鋼阻尼支座

在簡單橋梁實際運行工作中應滿足平時的溫度位移差。因此，為了均勻分擔主墩所承受的外力，可以將鋼阻尼支座與速度鎖定器進行搭配使用，最大限度地發揮E型鋼的減震效能，使速度鎖定器協助鋼阻尼器的減震隔震作用，有效降低主墩自身的承載力。

3.4 方案對比

通過以上分析可以得知，速度鎖定器在減震方面效果小，但能增強橋梁的整體抗震能力；而摩擦擺隔震裝置以從根本上減小縱橫向的地震力，減震效果最為突出，兩者都具備減小地震應力的作用；鋼阻尼器在減震方面也具有巨大的優勢，但影響橋梁自身結構，會產生溫度應力。由此可見，不管是在縱向減震還是橫向減震方面，摩擦擺隔震裝置是最佳的選擇，都明顯優于其它方案。

4 結論

通過上述分析，可知：在簡單橋梁結構中，從抗震規范要求來說，采取減隔震設計能夠有效分散固定墩的荷載力；將速度鎖定器安裝在固定墩中，對縱向減隔震具有效果，具有一定的適用條件，可以增強橋梁的整體抗震能力，增加裝置的防震效果，顯著增強活動主墩的剪力彎矩；在橫向和縱向上，鋼阻尼支座設置具有很好的減隔震作用；摩擦擺隔震裝置會具有一定的局限性，會使得橋面出現抬升現象；應根據簡單橋梁的實際情況選擇減隔震方案，選取恰當的裝置以及支座參數。